近远场统一模型及病态问题下的单/多站定位方法研究
发布时间：2021-08-10 10:02
目标位置的获取方法在军用、民用两个应用领域都有十分重要的研究意义。基于参数测量的目标定位算法在过去的几十年中已经有了大量的研究,取得了相当丰富的研究成果。其中,目标位置估计的闭式解算法由于其计算简单、估计性能优异,且能满足多种设备和应用场景对实时性和精度的要求,因而备受关注。传统的定位算法都基于笛卡尔坐标系,在研究中均假设传感器和目标位置的几何分布是无病态的,且目标位于近场或远场的先验知识已知。随着研究的深入,越来越多的学者注意到,诸多经典定位算法无法应对一些特殊的传感器-目标位置几何情况,而在这些情况下,经典的基于笛卡尔坐标系的定位算法都会不同程度地遇到矩阵病态问题。其中两种特殊的情况,分别出现在单站定位和目标距离先验知识未知的定位场景中。在单站定位问题中,由于定位系统基线受限,测量方程的矩阵很容易病态。解决该问题应从两个方面入手:一方面研究新的算法抑制矩阵病态对算法性能的影响;另一方面需要设法提高系统的基线长度。另一个问题是距离门限效应,即当目标到传感器的距离超过一定的范围时,传感器网络对目标的定位性能将急剧下降。最新的研究提出了修正极坐标表示（MPR）以统一近场定位和远场测向问题...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：206 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
缩略词表
主要符号表
第一章 绪论
1.1 国内外研究状况
1.1.1 目标定位研究发展状况
1.1.1.1 间接定位
1.1.1.2 直接定位
1.1.2 经典定位方法中的问题概述
1.1.2.1 矩阵病态问题
1.1.2.2 近场远场问题
1.2 本文主要工作以及章节安排
1.3 本文使用的符号
第二章 典型定位方法中的矩阵病态问题分析
2.1 引言
2.2 经典TDOA定位方法中的病态问题
2.2.1 大等径条件下的TDOA定位病态问题
2.2.2 远场目标TDOA定位的病态问题
2.3 笛卡尔坐标系中的距离门限效应分析
2.3.1 笛卡尔坐标系中的TDOA定位HBBB推导
2.3.2 笛卡尔坐标系中的AOA和AOA-TDOA定位HBBB推导
2.4 HBBB仿真实验
2.5 本章小结
第三章 基于矩阵病态抑制的单站运动目标定位
3.1 引言
3.2 基于矩阵病态抑制的单站运动目标测量模型
3.3 基于矩阵病态抑制的单站AOA-Doppler定位方法
3.3.1 基于加权总体最小二乘的目标位置-速度联合估计
3.3.2 基于广义特征分解的偏差抑制
3.3.3 基于高斯-牛顿迭代算法的最大似然估计
3.4 基于AOA和Doppler频率的单站运动目标定位CRLB
3.5 基于矩阵病态抑制的单站运动目标定位理论性能分析
3.5.1 BR算法的理论性能分析
3.5.2 MLE算法的理论性能分析
3.6 匀加速运动目标单站定位方法
3.7 仿真实验
3.7.1 匀速直线运动目标
3.7.2 目标运动速度非平稳
3.7.3 匀加速运动目标
3.7.4 计算复杂度
3.8 本章小结
第四章 基于近远场统一模型的TDOA位置估计
4.1 引言
4.2 基于近远场统一模型的TDOA测量模型
4.3 基于近远场统一模型的TDOA定位方法
4.3.1 SUM方法
4.3.1.1 第一次代价函数最小化
4.3.1.2 第二次代价函数最小化
4.3.2 GTRS方法
4.4 基于近远场统一模型的TDOA定位CRLB
4.5 基于近远场统一模型的TDOA定位理论性能分析
4.5.1 SUM方法的方差和偏差分析
4.5.1.1 SUM方法的方差分析
4.5.1.2 SUM方法的偏差分析
4.5.2 GTRS方法的方差和偏差分析
4.5.2.1 GTRS方法的方差分析
4.5.2.2 GTRS方法的偏差分析
4.5.3 两种方法性能与CRLB的比较
4.5.3.1 SUM方法性能与CRLB的比较
4.5.3.2 GTRS方法性能与CRLB的比较
4.6 仿真实验
4.6.1 到达角度估计
4.6.2 目标位置估计
4.6.3 估计性能随波达方向角度的变化
4.7 本章小结
第五章 基于近远场统一模型的改进TDOA位置估计
5.1 引言
5.2 基于近远场统一模型的TDOA定位改进方法
5.2.1 目标位置的粗估计
5.2.2 偏差修正
5.2.2.1 直接偏差修正
5.2.2.2 约束偏差修正
5.3 基于近远场统一模型的TDOA定位CRLB
5.4 基于近远场统一模型的TDOA定位改进算法性能分析
5.4.1 DDR方法的方差分析
5.4.2 CDR方法的方差分析
5.4.3 两种方法性能与CRLB的比较
5.4.3.1 DDR方法性能与CRLB的比较
5.4.3.2 CDR方法性能与CRLB的比较
5.5 仿真实验
5.5.1 最小传感器网络下的性能
5.5.2 常规传感器网络下的性能
5.5.3 算法处理时间评估
5.6 本章小结
第六章 基于近远场统一模型的TDOA定位传感器误差校正方法
6.1 引言
6.2 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA测量模型
6.3 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA定位算法
6.3.1 基于传感器位置等效误差的加权误差补偿
6.3.2 基于传感器位置误差关系的非约束逐次校正
6.4 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA定位CRLB
6.5 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA定位理论性能分析
6.5.1 WEC方法的理论方差分析
6.5.2 USC方法的理论方差分析
6.6 仿真实验
6.7 本章小结
第七章 基于近远场统一模型的AOA/AOA-TDOA位置估计
7.1 引言
7.2 基于近远场统一模型的AOA位置估计
7.2.1 基于近远场统一模型的AOA测量模型
7.2.2 基于近远场统一模型的AOA定位方法
7.2.3 基于近远场统一模型的AOA定位CRLB
7.2.4 基于近远场统一模型的AOA定位理论性能分析
7.3 基于近远场统一模型的AOA-TDOA位置估计
7.3.1 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合测量模型
7.3.2 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合定位方法
7.3.2.1 SUM方法
7.3.2.2 GTRS方法
7.3.3 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合定位CRLB
7.3.4 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合定位理论性能分析
7.4 仿真实验
7.4.1 AOA定位仿真实验
7.4.2 AOA-TDOA定位仿真实验
7.5 本章小结
第八章 全文总结与展望
8.1 全文总结
8.2 后续工作展望
致谢
参考文献
附录A 第三章部分推导及证明
A.1 式 (3-41) 矩阵的表达式
A.2 BR方法的理论方差与CRLB的比较证明
A.3 基于信号模型 (3-8) 估计AOA和多普勒频率的CRLB
附录B 第四章部分推导及证明
B.1 矩阵S的另一种表达式推导
B.2 小噪声条件下SUM方法理论方差等于CRLB的证明
B.3 无约束CRLB等于无约束理论方差的证明
附录C 第五章部分推导及证明
C.1 约束CRLB
C.2 矩阵 (5-74) 的另一种表达式
C.3 式 (5-82) 与 (5-74) 的等价性证明
附录D 第六章部分证明
D.1 传感器位置误差情况下的两种CRLB等价性证明
D.2 WEC方法理论方差与CRLB的比较证明
D.3 USC方法理论方差与CRLB比较证明
附录E 第七章部分证明
E.1 AOA定位CLRB的另一种表达式
E.2 AOA定位CES方法理论方差与CRLB的比较证明
E.3 AOA-TDOA定位闭式解方法的理论方差与CRLB的比较证明
攻读博士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]观测站有位置误差的多维标度时频差定位算法[J]. 曹景敏,万群,欧阳鑫信,邹延宾,Hesham Ibrahim Ahmed. 信号处理. 2017(01)
[2]非均匀噪声下的多阵列频域数据直接定位算法[J]. 黄志英,吴江,尹鹏. 信号处理. 2016(01)
[3]一种针对恒模信号的运动单站直接定位算法[J]. 王鼎,张刚,沈彩耀,张杰. 航空学报. 2016(05)
[4]观测站存在位置误差条件下基于MDS的多站时差定位算法[J]. 吴魏,于宏毅,张莉. 信号处理. 2015(07)
[5]联合时延与多普勒频率的直接定位改进算法[J]. 王云龙,吴瑛. 西安交通大学学报. 2015(04)
[6]北斗系统高轨卫星高精度定位模型病态性分析及改进方法[J]. 王胜利,王庆,聂文锋,潘树国. 导航定位学报. 2013(03)
[7]运动单站干涉仪相位差直接定位方法[J]. 张敏,郭福成,周一宇,姚山峰. 航空学报. 2013(09)
[8]基于单个长基线干涉仪的运动单站直接定位[J]. 张敏,郭福成,周一宇. 航空学报. 2013(02)
[9]Source localization with minimum variance distortionless response for spherical microphone arrays[J]. 黄青华,钟强,庄启雷. Journal of Shanghai University（English Edition）. 2011(01)
博士论文
[1]基于阵列信号的目标直接定位方法研究[D]. 尹洁昕.战略支援部队信息工程大学 2018
[2]多维标度无源定位方法研究[D]. 曹景敏.电子科技大学 2017
[3]时差测量与无源定位算法研究[D]. 钟森.电子科技大学 2015
[4]基于时差频差的多站无源定位与跟踪算法研究[D]. 朱国辉.西安电子科技大学 2015
[5]GNSS动态相对定位算法研究[D]. 李俊毅.解放军信息工程大学 2013
[6]参数化多维标度定位方法研究[D]. 秦爽.电子科技大学 2013
硕士论文
[1]基于阵列数据域的直接定位技术研究[D]. 任衍青.战略支援部队信息工程大学 2018
[2]GPS/BDS联合定位中病态性诊断及改正方法研究[D]. 朱紫彤.山东理工大学 2016
本文编号：3333857
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：206 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
缩略词表
主要符号表
第一章 绪论
1.1 国内外研究状况
1.1.1 目标定位研究发展状况
1.1.1.1 间接定位
1.1.1.2 直接定位
1.1.2 经典定位方法中的问题概述
1.1.2.1 矩阵病态问题
1.1.2.2 近场远场问题
1.2 本文主要工作以及章节安排
1.3 本文使用的符号
第二章 典型定位方法中的矩阵病态问题分析
2.1 引言
2.2 经典TDOA定位方法中的病态问题
2.2.1 大等径条件下的TDOA定位病态问题
2.2.2 远场目标TDOA定位的病态问题
2.3 笛卡尔坐标系中的距离门限效应分析
2.3.1 笛卡尔坐标系中的TDOA定位HBBB推导
2.3.2 笛卡尔坐标系中的AOA和AOA-TDOA定位HBBB推导
2.4 HBBB仿真实验
2.5 本章小结
第三章 基于矩阵病态抑制的单站运动目标定位
3.1 引言
3.2 基于矩阵病态抑制的单站运动目标测量模型
3.3 基于矩阵病态抑制的单站AOA-Doppler定位方法
3.3.1 基于加权总体最小二乘的目标位置-速度联合估计
3.3.2 基于广义特征分解的偏差抑制
3.3.3 基于高斯-牛顿迭代算法的最大似然估计
3.4 基于AOA和Doppler频率的单站运动目标定位CRLB
3.5 基于矩阵病态抑制的单站运动目标定位理论性能分析
3.5.1 BR算法的理论性能分析
3.5.2 MLE算法的理论性能分析
3.6 匀加速运动目标单站定位方法
3.7 仿真实验
3.7.1 匀速直线运动目标
3.7.2 目标运动速度非平稳
3.7.3 匀加速运动目标
3.7.4 计算复杂度
3.8 本章小结
第四章 基于近远场统一模型的TDOA位置估计
4.1 引言
4.2 基于近远场统一模型的TDOA测量模型
4.3 基于近远场统一模型的TDOA定位方法
4.3.1 SUM方法
4.3.1.1 第一次代价函数最小化
4.3.1.2 第二次代价函数最小化
4.3.2 GTRS方法
4.4 基于近远场统一模型的TDOA定位CRLB
4.5 基于近远场统一模型的TDOA定位理论性能分析
4.5.1 SUM方法的方差和偏差分析
4.5.1.1 SUM方法的方差分析
4.5.1.2 SUM方法的偏差分析
4.5.2 GTRS方法的方差和偏差分析
4.5.2.1 GTRS方法的方差分析
4.5.2.2 GTRS方法的偏差分析
4.5.3 两种方法性能与CRLB的比较
4.5.3.1 SUM方法性能与CRLB的比较
4.5.3.2 GTRS方法性能与CRLB的比较
4.6 仿真实验
4.6.1 到达角度估计
4.6.2 目标位置估计
4.6.3 估计性能随波达方向角度的变化
4.7 本章小结
第五章 基于近远场统一模型的改进TDOA位置估计
5.1 引言
5.2 基于近远场统一模型的TDOA定位改进方法
5.2.1 目标位置的粗估计
5.2.2 偏差修正
5.2.2.1 直接偏差修正
5.2.2.2 约束偏差修正
5.3 基于近远场统一模型的TDOA定位CRLB
5.4 基于近远场统一模型的TDOA定位改进算法性能分析
5.4.1 DDR方法的方差分析
5.4.2 CDR方法的方差分析
5.4.3 两种方法性能与CRLB的比较
5.4.3.1 DDR方法性能与CRLB的比较
5.4.3.2 CDR方法性能与CRLB的比较
5.5 仿真实验
5.5.1 最小传感器网络下的性能
5.5.2 常规传感器网络下的性能
5.5.3 算法处理时间评估
5.6 本章小结
第六章 基于近远场统一模型的TDOA定位传感器误差校正方法
6.1 引言
6.2 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA测量模型
6.3 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA定位算法
6.3.1 基于传感器位置等效误差的加权误差补偿
6.3.2 基于传感器位置误差关系的非约束逐次校正
6.4 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA定位CRLB
6.5 传感器存在位置误差的MPR坐标TDOA定位理论性能分析
6.5.1 WEC方法的理论方差分析
6.5.2 USC方法的理论方差分析
6.6 仿真实验
6.7 本章小结
第七章 基于近远场统一模型的AOA/AOA-TDOA位置估计
7.1 引言
7.2 基于近远场统一模型的AOA位置估计
7.2.1 基于近远场统一模型的AOA测量模型
7.2.2 基于近远场统一模型的AOA定位方法
7.2.3 基于近远场统一模型的AOA定位CRLB
7.2.4 基于近远场统一模型的AOA定位理论性能分析
7.3 基于近远场统一模型的AOA-TDOA位置估计
7.3.1 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合测量模型
7.3.2 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合定位方法
7.3.2.1 SUM方法
7.3.2.2 GTRS方法
7.3.3 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合定位CRLB
7.3.4 基于近远场统一模型的AOA-TDOA混合定位理论性能分析
7.4 仿真实验
7.4.1 AOA定位仿真实验
7.4.2 AOA-TDOA定位仿真实验
7.5 本章小结
第八章 全文总结与展望
8.1 全文总结
8.2 后续工作展望
致谢
参考文献
附录A 第三章部分推导及证明
A.1 式 (3-41) 矩阵的表达式
A.2 BR方法的理论方差与CRLB的比较证明
A.3 基于信号模型 (3-8) 估计AOA和多普勒频率的CRLB
附录B 第四章部分推导及证明
B.1 矩阵S的另一种表达式推导
B.2 小噪声条件下SUM方法理论方差等于CRLB的证明
B.3 无约束CRLB等于无约束理论方差的证明
附录C 第五章部分推导及证明
C.1 约束CRLB
C.2 矩阵 (5-74) 的另一种表达式
C.3 式 (5-82) 与 (5-74) 的等价性证明
附录D 第六章部分证明
D.1 传感器位置误差情况下的两种CRLB等价性证明
D.2 WEC方法理论方差与CRLB的比较证明
D.3 USC方法理论方差与CRLB比较证明
附录E 第七章部分证明
E.1 AOA定位CLRB的另一种表达式
E.2 AOA定位CES方法理论方差与CRLB的比较证明
E.3 AOA-TDOA定位闭式解方法的理论方差与CRLB的比较证明
攻读博士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]观测站有位置误差的多维标度时频差定位算法[J]. 曹景敏,万群,欧阳鑫信,邹延宾,Hesham Ibrahim Ahmed. 信号处理. 2017(01)
[2]非均匀噪声下的多阵列频域数据直接定位算法[J]. 黄志英,吴江,尹鹏. 信号处理. 2016(01)
[3]一种针对恒模信号的运动单站直接定位算法[J]. 王鼎,张刚,沈彩耀,张杰. 航空学报. 2016(05)
[4]观测站存在位置误差条件下基于MDS的多站时差定位算法[J]. 吴魏,于宏毅,张莉. 信号处理. 2015(07)
[5]联合时延与多普勒频率的直接定位改进算法[J]. 王云龙,吴瑛. 西安交通大学学报. 2015(04)
[6]北斗系统高轨卫星高精度定位模型病态性分析及改进方法[J]. 王胜利,王庆,聂文锋,潘树国. 导航定位学报. 2013(03)
[7]运动单站干涉仪相位差直接定位方法[J]. 张敏,郭福成,周一宇,姚山峰. 航空学报. 2013(09)
[8]基于单个长基线干涉仪的运动单站直接定位[J]. 张敏,郭福成,周一宇. 航空学报. 2013(02)
[9]Source localization with minimum variance distortionless response for spherical microphone arrays[J]. 黄青华,钟强,庄启雷. Journal of Shanghai University（English Edition）. 2011(01)
博士论文
[1]基于阵列信号的目标直接定位方法研究[D]. 尹洁昕.战略支援部队信息工程大学 2018
[2]多维标度无源定位方法研究[D]. 曹景敏.电子科技大学 2017
[3]时差测量与无源定位算法研究[D]. 钟森.电子科技大学 2015
[4]基于时差频差的多站无源定位与跟踪算法研究[D]. 朱国辉.西安电子科技大学 2015
[5]GNSS动态相对定位算法研究[D]. 李俊毅.解放军信息工程大学 2013
[6]参数化多维标度定位方法研究[D]. 秦爽.电子科技大学 2013
硕士论文
[1]基于阵列数据域的直接定位技术研究[D]. 任衍青.战略支援部队信息工程大学 2018
[2]GPS/BDS联合定位中病态性诊断及改正方法研究[D]. 朱紫彤.山东理工大学 2016
本文编号：3333857
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